The first community competition designed to objectively compare the performance of particle tracking algorithms provides valuable practical information for both users and developers. Particle tracking is of key importance for quantitative analysis of intracellular dynamic processes from time-lapse microscopy image data. Because manually detecting and following large numbers of individual particles is not feasible, automated computational methods have been developed for these tasks by many groups. Aiming to perform an objective comparison of methods, we gathered the community and organized an open competition in which participating teams applied their own methods independently to a commonly defined data set including diverse scenarios. Performance was assessed using commonly defined measures. Although no single method performed best across all scenarios, the results revealed clear differences between the various approaches, leading to notable practical conclusions for users and developers.

The rhizobial infection of legumes has the most stringent demand toward Nod factor structure of all host responses, and therefore a specific Nod factor entry receptor has been proposed. The SYM2 gene identified in certain ecotypes of pea ( Pisum sativum ) is a good candidate for such an entry receptor. We exploited the close phylogenetic relationship of pea and the model legume Medicago truncatula to identify genes specifically involved in rhizobial infection. The SYM2 orthologous region of M. truncatula contains 15 putative receptor-like genes, of which 7 are LysM domain–containing receptor-like kinases (LYKs). Using reverse genetics in M. truncatula , we show that two LYK genes are specifically involved in infection thread formation. This, as well as the properties of the LysM domains, strongly suggests that they are Nod factor entry receptors.

Abstract Bacteria have evolved resistance to nearly all known antibacterials, emphasizing the need to identify antibiotics that operate via novel mechanisms. Here we report a class of allosteric inhibitors of DNA gyrase with antibacterial activity against fluoroquinolone-resistant clinical isolates of Escherichia coli . Screening of a small-molecule library revealed an initial isoquinoline sulfonamide hit, which was optimized via medicinal chemistry efforts to afford the more potent antibacterial LEI-800. Target identification studies, including whole-genome sequencing of in vitro selected mutants with resistance to isoquinoline sulfonamides, unanimously pointed to the DNA gyrase complex, an essential bacterial topoisomerase and an established antibacterial target. Using single-particle cryogenic electron microscopy, we determined the structure of the gyrase–LEI-800–DNA complex. The compound occupies an allosteric, hydrophobic pocket in the GyrA subunit and has a mode of action that is distinct from the clinically used fluoroquinolones or any other gyrase inhibitor reported to date. LEI-800 provides a chemotype suitable for development to counter the increasingly widespread bacterial resistance to fluoroquinolones.

The rising use of plastic results in an appalling amount of waste which is scattered into the environment. One of these plastics is PET which is mainly used for bottles. We have identified and characterized an esterase from Streptomyces, annotated as LipA, which can efficiently degrade the PET-derived oligomer BHET. The Streptomyces coelicolor ScLipA enzyme exhibits varying sequence similarity to several BHETase/PETase enzymes, including IsPETase, TfCut2, LCC, PET40 and PET46. Of 96 Streptomyces strains, 18% were able to degrade BHET via one of three variants of LipA, named ScLipA, S2LipA and S92LipA. SclipA was deleted from S. coelicolor resulting in reduced BHET degradation. Overexpression of all LipA variants significantly enhanced BHET degradation. All variants were expressed in E. coli for purification and biochemical analysis. The optimum conditions were determined as pH 7 and 25 °C for all variants. The activity on BHET and amorphous PET film was investigated. S2LipA efficiently degraded BHET and caused roughening and indents on the surface of PET films, comparable to the activity of previously described TfCut2 under the same conditions. The abundance of the S2LipA variant in Streptomyces suggests an environmental advantage towards the degradation of more polar substrates including these polluting plastics.

ABSTRACT Actinobacteria are prevalent in the rhizosphere and phyllosphere of diverse plant species where they help to enhance tolerance of plants against biotic and abiotic stresses. Here, we show that the plant hormones jasmonic acid (JA) and methyljasmonate (MeJA) alter growth, development and specialized metabolism of Streptomyces . Challenge of Streptomyces coelicolor with JA or MeJA led to strongly enhanced production of the polyketide antibiotic actinorhodin. JA is toxic to Streptomycetaceae , whereby members of the genus Streptacidiphilus are generally more sensitive than streptomycetes. As a defensive response, extensive amino acid conjugation of JA was observed; the most prevalent conjugation was with glutamine (Gln), while conjugates with Val, Tyr, Phe and Leu/Ile were identified after longer exposure to JA. Synthetic JA conjugates failed to activate antibiotic production and had strongly reduced toxicity, strongly suggesting that conjugation inactivates JA and serves to detoxify the hormone. Thus, for the first time we provide evidence that plant hormones modulate growth, development and secondary metabolism of streptomycetes, whereby amino acid conjugation serves as a defense strategy by the bacteria to circumvent plant hormone toxicity. IMPORTANCE Microorganisms that live on or inside plants greatly influence plant health. Streptomycetes are considered to have an important role in defense against plant diseases, but the mechanisms through which they protect plants are currently not fully understood. It has been suggested that streptomycetes respond to changes in the plant’s physiology, among others by producing protective molecules; however, little is known of the signal transduction from plant to bacterium. We here demonstrate that the plant hormones jasmonic acid (JA) and methyljasmonate (MeJA) directly influence the life cycle of streptomycetes by modulating antibiotic synthesis and promoting faster development. Moreover, the plant hormones specifically stimulate the synthesis of the polyketide antibiotic actinorhodin in Streptomyces coelicolor . Jasmonic acid is then modified in the cell by amino acid conjugation, which reduces the bioactivity of the hormone and thus quenches the signal. To the best of our knowledge, this has not been reported previously. Collectively, these results suggest a relationship between plant physiological changes and the response of streptomycetes in multiple ways.

Abstract Endolysosomal vesicle trafficking and autophagy are crucial degradative pathways in maintenance of cellular homeostasis. The transmembrane protein DRAM1 is a potential therapeutic target that primarily localises to endolysosomal vesicles and promotes autophagy and vesicle fusion with lysosomes. However, the molecular mechanisms underlying DRAM1-mediated vesicle fusion events remain unclear. Using high-resolution confocal microscopy in the zebrafish model, we show that mCherry-Dram1 labelled vesicles interact and fuse with early endosomes marked by PI(3)P. Following these fusion events, early endosomes mature into late endosomes in a process dependent on the conversion of PI(3)P into PI(3,5)P 2 by the lipid kinase PIKfyve. Chemical inhibition of PIKfyve reduces the targeting of Dram1 to acidic endolysosomal vesicles, arresting Dram1 in multivesicular bodies, early endosomes, or non-acidified vesicles halted in their fusion with early endosomes. In conclusion, Dram1-mediated vesicle fusion requires the formation of PI(3,5)P 2 to deliver vesicles and their cargo to the degradative environment of the lysosome.

The cell wall is a shape-defining structure that envelopes almost all bacteria. One of its main functions is to serve as a protection barrier to environmental stresses. Bacteria can be forced in a cell wall-deficient state under highly specialized conditions, which are invariably aimed at interrupting cell wall synthesis. Therefore, the relevance of such cells has remained obscure. Here we show that many filamentous actinomycetes have a natural ability to generate a new, cell wall-deficient cell type in response to hyperosmotic stress, which we call S-cells. This wall-deficient state is transient, as S-cells are able to switch to the canonical mycelial mode-of-growth. Remarkably, prolonged exposure of S-cells to hyperosmotic stress yielded variants that are able to proliferate indefinitely without their cell wall. This is the first report that demonstrates the formation of wall-deficient cells as a natural adaptation strategy and their potential transition into stable wall-less forms solely caused by prolonged exposure to osmotic stress. Given that actinomycetes are potent antibiotic producers, our work also provides important insights into how biosynthetic gene clusters and resistance determinants may disseminate into the environment.

ABSTRACT Bacterial chromosome structure is organized by a diverse group of proteins collectively referred to as nucleoid-associated proteins (NAPs). Many NAPs have been well studied in Streptomyces, including Lsr2, HupA, HupS, and sIHF. Here, we show that SCO1839 represents a novel family of Actinobacteria NAPs and recognizes a consensus sequence consisting of GATC followed by (A/T)T. The protein was designated Gbn for G ATC- b inding N AP. Deletion of gbn led to alterations in development and antibiotic production in Streptomyces coelicolor . Chromatin immunoprecipitation sequencing (ChIP-Seq) detected more than 2800 binding regions, encompassing some 3600 GATCWT motifs, which comprise 55% of all such motifs in the S. coelicolor genome. DNA binding of Gbn in vitro increased DNA stiffness but not compaction, suggesting a role in regulation rather than chromosome organization. Transcriptomics analysis showed that Gbn binding generally leads to reduced gene expression. The DNA binding profiles were nearly identical between vegetative and aerial growth. Exceptions are SCO1311 and SCOt32, for a tRNA editing enzyme and a tRNA that recognises the rare leucine codon CUA, respectively, which nearly exclusively bound during vegetative growth. Taken together, our data show that Gbn is a highly pleiotropic NAP that impacts growth and development in streptomycetes. IMPORTANCE A large part of the chemical space of bioactive natural products is derived from Actinobacteria. Many of the biosynthetic gene clusters for these compounds are cryptic, in others words, they are expressed in nature but not in the laboratory. Understanding the global regulatory networks that control gene expression is key to the development of approaches to activate this biosynthetic potential. Chromosome structure has a major impact on the control of gene expression. In bacteria, the organization of chromosome structure is mediated by a diverse group of proteins referred to collectively as nucleoid-associated proteins (NAPs), which play an important role in the control of gene expression, nucleoid structure and DNA repair. We here present the discovery of a novel and extremely pleiotropic NAP, which we refer to as Gbn. Gbn is a sporulation-specific protein that occurs only in the Actinobacteria and binds to GATC sequences, with a subtle but broad effect on global gene expression. The discovery of Gbn is a new step towards better understanding of how gene expression and chromosome structure is governed in antibiotic-producing streptomycetes.

Gram-positive bacteria divide by forming a thick cross wall. How the thickness of this septal wall is controlled is unknown. In this type of bacteria, the key cell division protein FtsZ is anchored to the cell membrane by two proteins, FtsA and SepF. We have isolated SepF homologues from different bacterial species and found that they all polymerize into large protein rings with diameters varying from 19 to 41 nm. Importantly, these values correlated well with the thickness of their septa. To test whether ring diameter determines septal thickness, we tried to construct different SepF chimeras with the purpose to manipulate the diameter of the SepF protein ring. This was indeed possible and confirmed that the conserved core domain of SepF determines ring diameter. Importantly, when SepF chimeras with a smaller diameter were expressed in the bacterial host Bacillus subtilis , the thickness of its septa also became smaller. These results strongly support a model in which septal thickness is controlled by curved molecular clamps formed by SepF polymers attached to the leading edge of nascent septa. This also implies that the intrinsic shape of a protein polymer can function as a mould to shape the cell wall.Significance Statement Many bacteria form a thick cell wall and divide by forming a cross wall. How they control the thickness of their cell wall and cross wall is unknown. In this study we show that in these bacteria the cell division protein SepF forms very large protein rings with diameters that correspond to the diameter of their cross walls. Importantly, when we reduced the diameter of SepF rings in the bacterial host Bacillus subtilis the cross wall also became thinner. These results provide strong evidence that a large protein ring can function as a mould to control the thickness of the cell wall that divides these bacterial cells.

Cell division during the reproductive phase of the Streptomyces life-cycle requires tight coordination between synchronous formation of multiple septa and DNA segregation. One remarkable difference with most other bacterial systems is that cell division in Streptomyces is positively controlled by the recruitment of FtsZ by SsgB. Here we show that deletion of ylmD (SCO2081) or ylmE (SCO2080), which lie in operon with ftsZ in the dcw cluster of actinomycetes, has major consequences for sporulation-specific cell division in Streptomyces coelicolor. Electron and fluorescence microscopy demonstrated that ylmE mutants have a highly aberrant phenotype with defective septum synthesis, and produce very few spores with low viability and high heat sensitivity. FtsZ-ring formation was also highly disturbed in ylmE mutants. Deletion of ylmD had a far less severe effect on sporulation. Interestingly, the additional deletion of ylmD restored sporulation to the ylmE null mutant. YlmD and YlmE are not part of the divisome, but instead localize diffusely in aerial hyphae, with differential intensity throughout the sporogenic part of the hyphae. Taken together, our work reveals a function for YlmD and YlmE in the control of sporulation-specific cell division in S. coelicolor, whereby the presence of YlmD alone results in major developmental defects.